Signalintegrität Die Stromversorgung - der ewige Querulant

»Die Stromversorgung spielt in hochpräzisen Systemen eine wichtige Rolle«, betont Carmelo Morello, Executive Business Manager Industrial & Healthcare, Maxim Integrated, stellvertretend für seine Industriekollegen.

Morello von Maxim erklärt auch gleich, warum die Stromversorgung durchaus Einfluss auf AFEs, ADCs etc. nimmt: Die Komponenten weisen eine beschränkte PSRR auf. Die PSRR (Power Supply Rejection Ratio: Netzstörunterdrückungsverhältnis) gibt an, wie stark sich Störungen seitens der Versorgungsspannung auf das Ausgangsignal eines Operationsverstärkers, eines A/D-Wandlers etc. auswirken. Und nachdem die PSRR endlich ist, sind diese Bausteine empfindlich gegenüber Schwankungen in der Spannungsversorgung. Morello: »Deshalb ist es wichtig, dass die Stromversorgung eine saubere Spannung bereitstellt.«

Hilfreich für eine höhere Genauigkeit des Gesamtsystems sei deshalb eine niedrige Ausgangsabweichung hinsichtlich Temperatur, Eingangsspannung und Ausgangslastbedingung der Stromversorgung; bei Schaltnetzteilen muss außerdem die Ausgangsspannungswelligkeit herausgefiltert werden. Morello: »Die zulässigen Schwankungen der Amplitudenwelligkeit und der Ausgangsspannung hängen von der PSRR des AFE und ADCs ab; ebenso der zulässige Rauschpegel des Systems.« Tim Kaske, Senior Business Unit Director – Linear Power & Amplifiers bei On Semiconductor, gibt für die PSRR noch die passende Grundgleichung an:

PSRR = 20log (Ripple_input) / (Ripple_output)

Kaske: »Je höher der PSRR-Wert ist, desto besser ist der LDO im Unterdrücken von Rauschen am Eingang.« Und Colin Davies, Applications Manager Europe bei Diodes, verdeutlicht das Ganze noch an einem Beispiel: Wenn ein Baustein mit einem PSRR-Wert von 100 dB mit 1 V Schwankung umgehen muss, resultiert das in einem differentiellen Eingangssignal von 10 µV, wobei hier auch noch eine Frequenzabhängigkeit besteht.

Aus der Sicht von Leonhard Link, Senior Field Application Engineer bei Microchip Technology, wird der Einfluss der Stromversorgung auf die Signalintegrität leicht unterschätzt. Das passiere häufig, wenn man sich mit einer „digitalen“ Denkweise an Analogtechnik setzt. Ein Beispiel ist der Masseversatz (Ground Shift): Ein Masseversatz von 50 µV ist mit einem Multimeter nicht mehr zu messen und kann vernachlässigt werden. Machen aber die 50 µV bereits mehrere LSBs (Least Significant Bit) eines A/D-Wandlers aus, »so wird dieser das zuverlässig merken«, fährt Link fort. Und dieser Wert sei schnell erreicht, beispielsweise wenn man 10 mA an einem 5-mΩ-Shunt abfallen lässt. Link betont: »Hier zeigt sich, dass ein Layout zu einer echten Herausforderung werden kann. Wer also im Bereich von 20-Bit-ADC messen will, muss sich vieles genauer überlegen als der Kollege, der nur mal eben 10 Bit genau messen will.«

Die Stromversorgung bringt aber auch noch andere Probleme mit sich. Dazu zählen kapazitive Einkopplungen über benachbarte digitale Leiterbahnen, induktive Einkopplungen und auch leitungsgebundene Störungen. »Sind die sehr groß, kann unter Umständen der Messwert stark abweichen. Leider ist dieses Phänomen schwer zu ermitteln, und man findet auch in den Datenblättern keine große Hilfe.«

Link warnt davor, alles berechnen zu wollen. Er hält es vielmehr für wichtig, beim Layout genau zu überlegen und entsprechende Maßnahmen zu treffen. »Im Layout kann jegliche Einkopplung durch geeignete Filter an der Versorgungsspannung und durch geeignete Leiterbahnführungen minimiert werden. Dieser Weg erweist sich stets als der bessere, als zuerst ein Layout zu machen und anschließend „auswerten“ zu wollen: Wo kann nur dieser Fehler herkommen etc.«, so Link. Typischerweise ist es gar nicht so leicht, die Störungen und Probleme im Nachhinein richtig zuzuordnen. Am schnellsten für das Projekt sei es oftmals, schon beim ersten Layout die größtmögliche Sorgfalt walten zu lassen. Dann kann man sich auch viele unnötige Analysen eines ungünstigen Layouts ersparen.

Ähnlich argumentiert Jose Gonzalez Torres, Product Marketing Engineer bei Texas Instruments. Er erklärt, dass DC/DC-Stromversorgungen einen Einfluss darauf haben, wie sich Signale in analogen Schaltungen verhalten, da die Ausgänge von Verstärkern und Datenwandlern je nach Rauschen der Stromleitung variieren. Deshalb empfiehlt er: »Je empfindlicher und genauer die Bausteine entlang der Signalkette sind, desto mehr Sorgfalt und Aufmerksamkeit muss ergriffen werden, um die Integrität und Genauigkeit der Stromschiene zu adressieren.«